Đề tài thiết kế bộ táchghép 3 mode lp01 lp11a lp11b sử dụng cấu trúc ghép định hướng bất đối xứng 3d

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Đề tài: THIẾT KẾ BỘ TÁCH/GHÉP MODE LP01-LP11a-LP11b SỬ DỤNG CẤU TRÚC GHÉP ĐỊNH HƯỚNG BẤT ĐỐI XỨNG 3D Người thực : Ngô Tài Hùng Trần Quang Trung Lớp : 14DT1 Người hướng dẫn : TS Nguyễn Tấn Hưng Đà Nẵng, 2019 Lời cam đoan Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự – Hạnh phúc LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan nội dung đồ án “Thiết kế tách/ghép mode LP01LP11a-LP11b sử dụng cấu trúc ghép định hướng bất đối xứng 3D” chép hồn tồn đồ án cơng trình có từ trước Nếu vi phạm, em xin chịu trách nhiệm trước hội đồng bảo vệ đồ án tốt nghiệp Đà Nẵng, ngày … tháng … năm 20… Sinh viên thực Phân cơng nhiệm vụ PHÂN CƠNG NHIỆM VỤ PHẦN LÝ THUYẾT Ngô Tài Hùng Trần Quang Trung 1.2 Giới thiệu hệ thống ghép kênh phân 1.3 Giới thiệu thiết bị Tách/ghép mode chia theo mode (MDM) hệ thống ghép kênh MDM 2.2 Các phương trình truyền sóng 2.4 Ống dẫn sóng đơn mode đa 2.3 Điều kiện truyền sóng tổng quát mode ống dẫn sóng 2.5 Giới thiệu tổng quan ống dẫn sóng quang học 3.2 Bộ ghép định hướng bất đối xứng 3.5 Phương pháp mô truyền nguyên lý hoạt động chùm tia 3.4 Các phương pháp mô trường 3.3 Các loại suy hao điện từ tách/ghép mode PHẦN MƠ PHỎNG Ngơ Tài Hùng 4.3 Kết mô Trần Quang Trung 4.2 Nguyên lý hoạt động thiết lập thơng số kích thước 4.4 Đánh giá hiệu suất thiết kế 4.5 Mô thiết kế hệ thống phần mềm OptSim Mục lục MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ iii DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT v LỜI NÓI ĐẦU vi CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO MODE VÀ THIẾT BỊ TÁCH/GHÉP MODE .1 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Giới thiệu hệ thống ghép kênh phân chia theo mode (MDM) .1 1.3 Giới thiệu thiết bị Tách/ghép mode hệ thống ghép kênh MDM 1.4 Kết luận chương CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ỐNG DẪN SÓNG QUANG HỌC 2.1 Giới thiệu chương 2.2 Các phương trình truyền sóng 2.3 Điều kiện truyền sóng tổng quát ống dẫn sóng 2.4 Ống dẫn sóng đơn mode đa mode 10 2.5 Giới thiệu loại ống dẫn sóng quang học 11 2.5.1 Giới thiệu ống dẫn sóng quang học điện môi 11 2.5.2 Ống dẫn sóng Silicon vật liệu cách điện 13 2.5.3 Các loại ống dẫn sóng dạng kênh dẫn đối xứng .14 2.6 Kết luận chương 16 CHƯƠNG 3: BỘ GHÉP ĐỊNH HƯỚNG BẤT ĐỐI XỨNG VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG TRUYỀN CHÙM TIA 17 3.1 Giới thiệu chương 17 3.2 Bộ ghép định hướng bất đối xứng nguyên lý hoạt động .17 i Mục lục 3.3 Các loại suy hao tách/ghép mode 20 3.3.1 Suy hao chèn 20 3.3.2 Hệ số xuyên nhiễu ống dẫn sóng 20 3.4 Các phương pháp mô trường điện từ 20 3.5 Phương pháp mô truyền chùm tia 21 3.5.1 Lý thuyết chung phương pháp truyền chùm tim 21 3.5.2 Các phương trình phương pháp truyền chùm tia 21 3.5.3 Những mặt hạn chế phương pháp truyền chùm tia 23 3.5.4 Ứng dụng phương pháp truyền chùm tia 24 3.6 Kết luật chương 24 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ TÁCH/GHÉP MODES 3D SỬ DỤNG CẤU TRÚC GHÉP ĐỊNH HƯỚNG BẤT ĐỐI XỨNG 25 4.1 Giới thiệu chương 25 4.2 Nguyên lý hoạt động thiết lập thơng số kích thước 26 4.2.1 Nguyên lý hoạt động tách/ghép mode 26 4.2.2 Thiết lập thơng số kích thước 27 4.3 Kết mô 31 4.3.1 Bộ tách mode 31 4.3.2 Bộ ghép mode 32 4.4 Đánh giá hiệu suất thiết kế 34 4.5 Mô thiết kế hệ thống phần mềm OptSim 37 4.5.1 Mô mạch tách kênh 37 4.5.2 Mô mạch ghép kênh .40 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 44 ii Mục lục TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 PHỤ LỤC 46 iii Danh sách bảng hình vẽ DANH SÁCH CÁC BẢNG VÀ HÌNH VẼ BẢNG: Bảng 4.1: Thông số thiết kế mạch tách/ghép mode 30 Bảng 4.2: Suy hao chèn hệ số xuyên nhiễu mạch tách mode 34 HÌNH: Hình 1.1: Sơ đồ ngun lý hệ thống WDM/MDM .2 Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý Tách/ghép mode – ghép đoạn nhiệt [7] Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý Tách/ghép mode – giao thoa đa mode MMI [10] Hình 1.4: Sơ đồ mạch Ghép mode – ghép cách tử dọc [11] .4 Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý Tách mode – nhánh chọn lọc chữ Y [6] Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý Tách mode – ghép định hướng Hình 2.1: Phân bố điện trường cường độ ánh sáng mode [3] Hình 2.2: Cấu trúc ống dẫn sóng phẳng – điện mơi [3] .9 Hình 2.3: Truyền sóng ánh sáng ống dẫn sóng [3] Hình 2.4: (a) Ống dẫn sóng khơng phẳng [4] 12 Hình 2.4: (b) Ống dẫn sóng phẳng [4] 12 Hình 2.5: (a) Ống dẫn sóng chiết suất phân bậc [4] 13 Hình 2.5: (b) Ống dấn sóng chiết suất biến đổi [4] 13 Hình 2.6: Ống dẫn sóng Silicon vật liệu cách điện .13 Hình 2.7: Các ống dẫn sóng dạng kênh dẫn sóng tiêu biểu [4] 15 Hình 3.1 : Sự chồng chập trường ngang ống dẫn sóng phẳng đối xứng 18 Hình 4.1: Cấu trúc kênh dẫn Channel – Step Index – 3D 25 Hình 4.2: Các mode sử dụng .25 iii Danh sách bảng hình vẽ Hình 4.2: Nguyên lý hoạt động mạch .27 Hình 4.3: Đo chiết suất hiệu dụng theo chiều cao ống dẫn sóng 27 Hình 4.4: Đo hiệu suất chuyển đổi mode theo chiều cao 28 Hình 4.5: Sự chuyển mode ống ống phụ thứ 28 Hình 4.6: Bản vẽ thiết kế chi tiết .29 Hình 4.7: Mơ hoạt động mạch tách mode 32 Hình 4.8: Mô hoạt động mạch ghép mode .33 Hình 4.9: Đo Insertion loss băng C 35 Hình 4.10: Đo Cross Talk băng C 35 Hình 4.10: Sơ đồ hệ thống mô mạch tách kênh .37 Hình 4.11: Giản đồ mắt ngõ mạch tách kênh 38 Hình 4.12: Đo BER theo cơng suất phát mạch tách kênh 39 Hình 4.13: Mơ hình tổng qt hệ thống mơ mạch ghép kênh 40 Hình 4.14: Kết mơ mơ hình mắt mạch ghép kênh 41 Hình 4.15: Đo BER theo công suất phát mạch ghép kênh 42 iv Danh sách từ viết tắt DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT BPM CMOS Phương pháp mô truyền Beam Propagation Method chùm tia Complementary Metal-Oxide- Chất bán dẫn oxit kim loại bổ Semiconductor sung Cr.T Cross Talk Nhiễu xuyên kênh FDTD Finite Difference Time Domain Method FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn I.L Insertion Loss Tổn hao chèn MDM Mode Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo mode MMI Multimode Interference Giao thoa đa mode PE Parabolic Equation SOI Silicon On Insulator SPM Self Phase Modulation Hiệu ứng điều chế tự dịch pha TE Transverse electric Điện trường ngang TEM Transverse electromagnetic Điện từ trường ngang TIR Total Internal Reflection Phản xạ toàn phần TM Transverse magnetic Từ trường ngang WDM Wavelength Divison Multiplexing XPM Cross Phase Modulation Phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian Phương pháp chuẩn hóa phương trình parabol Chất bán dẫn vật liệu cách điện Ghép kênh phân chia theo bước sóng Hiệu ứng điều chế pha chéo v Lời nói đầu LỜI NĨI ĐẦU Trong q trình đại hóa ngày việc trao đổi thông tin truyền tải liệu nhu cầu thiết yếu nhân loại nhu cầu ngày gia tăng số lượng chất lượng, tốc độ truyền dẫn khoảng cách truyền dẫn tăng lên đến hàng ngàn ki-lô-mét, xuyên châu lục đại dương Sự đời hệ thống thông tin sợi quang góp phần giải nhu cầu thiết yếu cấp bách Khơng kích thước phần tử hệ thống thơng tin quang ngày thiết kế với kích thước nhỏ đến micro-mét, mật độ tích hợp lớn suy hao thấp Với đặc tính trội kích thước bé (nhỏ 1mm kích thước siêu nhỏ vào khoảng 20 – 30 µm), tổn hao thấp 0.5dB, tách/ghép mode sử dụng ngày rộng rãi, ứng dụng nhiều hệ thống ghép kênh kết hợp phân chia theo mode bước sóng MDM/WDM Các tách/ghép mode thiết kế trước đây, nhiên sử dụng cấu trúc 2D tách/ghép mode [5] Hoặc sử dụng cấu trúc 3D có cấu tạo phức tạp [12] Chính nhóm chọn đề tài “Thiết kế tách/ghép mode LP01LP11a-LP11b sử dụng cấu trúc ghép định hướng bất đối xứng 3D” Đồ án giới thiệu tách/ghép mode có cấu trúc 3D đơn giản, áp dụng cho mode LP01, LP11a, LP11b Nhờ ghép nối dễ dàng với sợi quang hệ thống ghép kênh phân chia theo mode Để thực nội dung trên, đồ án trình bày thành bốn chương sau đây: Chương 1: Giới thiệu hệ thống ghép kênh phân chia theo mode thiết bị tách/ghép mode Chương 2: Tổng quan ống dẫn sóng quang học Chương 3: Bộ ghép định hướng bất đối xứng phương pháp mô truyền chùm tia vi Chương Thiết kế tách/ghép Modes 3D sử dụng cấu trúc ghép định hướng bất đối xứng Tiến hành đo I.L theo bước sóng băng C (1530nm – 1565nm) LP01 LP11a LP11b Hình 4.9: Đo Insertion loss băng C Tiến hành đo CrT theo bước sóng băng C (1530nm – 1565nm) LP01 LP11a LP11b Hình 4.10: Đo Cross Talk băng C 35 Chương Thiết kế tách/ghép Modes 3D sử dụng cấu trúc ghép định hướng bất đối xứng Nhận xét: Suy hao chèn toàn băng C lớn -0.525 dB Sự tổn hao công suất chủ yếu thiết kế sử dụng phương pháp ghép nối trực tiếp ngõ vào Có thể nâng cao hiệu suất cách sử dụng ghép nối ngõ vào Hệ số xuyên nhiễu lớn -17.8 dB Bộ tách ghép mode có độ nhạy theo bước sóng thấp, sử dụng tốt toàn băng C Nhờ vậy, cấu trúc ứng dụng hệ thống kết hợp ghép kênh phân chia theo bước sóng mode (WDM/MDM) cách hiệu 36 Chương Thiết kế tách/ghép Modes 3D sử dụng cấu trúc ghép định hướng bất đối xứng 4.5 Mô thiết kế hệ thống phần mềm OptSim Để tăng tính thực tế thiết kế, ta tiến hành mô thiết kế hệ thống đầy đủ gồm thành phần phát thu Phần mềm sử dụng OptSim 4.5.1 Mô mạch tách kênh Hệ thống mô mạch tách kênh bao gồm phát ba thu tương ứng với đầu vào ba đầu cấu trúc Thông số thiết lập ban đầu với công suất phát dBm Tốc độ bit 40 Gbps Hình 4.10: Sơ đồ hệ thống mơ mạch tách kênh 37 Chương Thiết kế tách/ghép Modes 3D sử dụng cấu trúc ghép định hướng bất đối xứng - Thiết lập cho laserdiode phát mode 0, mode 1, mode ngõ vào (a) (b) (c) Hình 4.11: Giản đồ mắt ngõ mạch tách kênh (a) Phát mode – LP01 (b) Phát mode – LP11a (c) Phát mode – LP11b 38 Chương Thiết kế tách/ghép Modes 3D sử dụng cấu trúc ghép định hướng bất đối xứng Đo tỉ lệ lỗi bit (BER) theo công suất phát khoảng từ -12 đến -4 dBm Hình 4.12: Đo BER theo cơng suất phát mạch tách kênh 39 Chương Thiết kế tách/ghép Modes 3D sử dụng cấu trúc ghép định hướng bất đối xứng Nhận xét: Khi đưa vào hệ thống đầy đủ bên phát thu, thiết kế hoạt động chức tách kênh phân chia theo mode Với tỉ lệ lỗi bit (BER) yêu cầu hệ thống thơng tin quang 10e-9 mạch có độ nhạy thu xấp xỉ -12 dBm 4.5.2 Mơ mạch ghép kênh Hệ thống mô mạch ghép kênh bao gồm ba phát thu tương ứng với ba đầu vào đầu cấu trúc Thông số thiết lập ban đầu với cơng suất phát dBm Tốc độ bit 40Gbps Hình 4.13: Mơ hình tổng qt hệ thống mơ mạch ghép kênh 40 Chương Thiết kế tách/ghép Modes 3D sử dụng cấu trúc ghép định hướng bất đối xứng - Thiết lập cho laserdiode phát mode ngõ vào 1, 2, (a) (b) (c) Hình 4.14: Kết mơ mơ hình mắt mạch ghép kênh (a) Phát vào ngõ vào (b) Phát vào ngõ vào (c) Phát vào ngõ vào 41 Chương Thiết kế tách/ghép Modes 3D sử dụng cấu trúc ghép định hướng bất đối xứng Đo tỉ số BER theo công suất phát khoảng từ -10 đến -1 dBm Hình 4.15: Đo BER theo công suất phát mạch ghép kênh 42 Chương Thiết kế tách/ghép Modes 3D sử dụng cấu trúc ghép định hướng bất đối xứng Nhận xét: Khi đưa vào hệ thống đầy đủ bên phát thu, thiết kế hoạt động chức ghép kênh phân chia theo mode Với tỉ lệ lỗi bit (BER) yêu cầu hệ thống thơng tin quang 10e-9 mạch có độ nhạy thu xấp xỉ -10 dBm 4.6 Kết luận chương Chương trình bày cách cụ thể trình thiết kế tách/ ghép kênh phân chia theo mode không gian Đồng thời mô hoạt động cấu trúc đo đạc hiệu suất trường hợp cụ thể Qua đó, rút kết luận ưu nhược điểm thiết kế sau: Ưu điểm: - Cấu trúc có cấu tạo đơn giản, dễ dàng chế tạo ứng dụng thực tế - Cùng cấu trúc sử dụng đồng thời hai chức tách ghép mode - Hiệu suất tách/ghép mode cao, suy hao chèn thấp - Độ nhạy với bước sóng thấp, sử dụng băng C với suy hao không vượt 0.525 dB Nhược điểm: - Cấu trúc ghép mode có hiệu suất hoạt động thấp tỉ lệ lỗi bit cao so với cấu trúc tách mode - Cần cơng nghệ chế tạo xác dung sai chế tạo nhỏ 43 Kết luận hướng phát triển đề tài KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Kết luận: Đồ án tìm hiểu lý thuyết truyền sóng, lý thuyết mode hệ phương trình Maxwell lý thuyết ghép định hướng bất đối xứng Đồ án trình bày phương pháp mơ trừờng điện từ Beam Propagation phương pháp số hiệu dụng Các kết mà đồ án đạt bao gồm: - Bộ ghép kênh phân chia theo mode (3 mode) không gian - Bộ tách kênh phân chia theo mode (3 mode) không gian - Đưa thiết kế lên phần mềm hệ thống để khảo sát kết Sau tiến hành thiết kế tổng hợp lại kết liệu thu từ mơ số kết luận cần lưu ý rút từ đồ án sau: - Có thể sử dụng cấu trúc ghép định hướng để thiết kế tách ghép mode - Sự suy hao công suất chủ yếu từ việc phát trực tiếp tín hiệu vào thiết bị - Các ống dẫn sóng nhạy với thay đổi tần số sóng mang có độ nhạy lớn thay đổi kích thước Hướng phát triển đề tài: Do thời gian hạn hẹp nên đồ án dừng mức thiết kế tiến hành mô quan sát kết phần mềm R-soft mà chưa thể tiến hành chế tạo thực nghiệm đo đạc kết thu thừ thực tế Dựa tảng đồ án đạt được, số hướng phát triển đề tài triền khai sau: - Thiết kế thêm ống dẫn sóng phụ để tăng số lượng mode tách/ghép nhằm tăng dung lượng kênh - Thiết kế thêm ghép công suất ngõ vào ngõ thiết bị để giảm suy hao - Tiến hành khảo sát tối ưu thông số thiết kế để tăng hiệu suất - Tiến hành chế tạo khảo sát kết thực nghiệm 44 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS TS Nguyễn Văn Tuấn, “Thông tin sợi quang”, NXB Giáo dục Việt Nam, 2010 [2] PGS TS Tăng Tấn Chiến, “Giáo trình thơng tin sợi quang”, Biên soạn [3] Safa.O.Kasap, “Optoelectronics and Photonics: Principles and Practice” [4] Jia Ming Liu, “Photonic Devices”, Cambridge: Cambridge University Press, 2005 [5] Truong Cao Dung, “Two mode division (De)multiplexer based on an MZI asymmetric silicon waveguide”, International Conference on Advanced Technologies for Communications, 2016 [6] Nhóm tác giả, “Thiết bị tách ghép kênh phân chia hai mode suy hao thấp sử dụng ống dẫn sóng SOI dạng BUS rẽ nhánh”, Tạp chí khoa học công nghệ đại học Đà Nẵng, 2018 [7] Jiejiang Xing, Zhiyong Li, Xi Xiao, Jinzhong Yu, and Yude Yu, “Two-mode multiplexer and demultiplexer based on adiabatic couplers”, Optics Letters, 2013 [8] Yan Si Le, “Three-mode all-optical (de)multiplexing on a SOI chip”, Optics Communications, 2018 [9] Tadesse Mulugeta and Mahmoud Rasras, “Silicon hybrid (de)multiplexer enabling simultaneous mode and wavelength-division multiplexing”, Optics Express, 2015 [10] Hongliang Zhu, “Two-mode de/multiplexer based on multimode interference couplers with a tilted joint as phase shifter”, Optics Letters, 2015 [11] Weifeng Jiang, “Compact and low-crosstalk mode (de)multiplexer using a triple plasmonic-dielectric waveguide-based directional coupler”, Journal of the Optical Society of America B, 2018 [12] Yerolatsitis, “Adiabatically-tapered fiber mode multiplexers”, Optical Society of America, 2014 45 Phụ lục PHỤ LỤC Phụ lục 1: Đo BER theo công suất phát mạch ghép kênh Power (dBm) BER LP01 Q factor 63 BER LP11a Q factor 63 BER LP11b Q factor 63 -1 63 4.08e-219 29.98 63 -2 8.59e-220 30 5.14e-142 28.07 4.89e-311 31.52 -3 1.82e-142 28.09 7.47e-92 26.14 1.45e-206 29.72 -4 3.8e-92 25.60 1.73e-59 24.2 9.67e-134 27.8 -5 1.12e-59 24.21 1.04e-34 21.97 1.73e-86 25.87 -6 1.04e-35 23.16 2.32e-25 20.29 4.27e-56 23.93 -7 1.94e-25 20.30 8.48e-17 18.32 1.61e-36 21.98 -8 7.57e-17 18.36 1.76e-11 16.42 6.11e-24 20 -9 1.64e-11 16.43 6.38e-8 14.45 6.85e-16 18.04 -10 6.08e-8 14.47 1.23e-5 12.5 0.84e-11 16.14 Phụ lục 2: Đo BER theo công suất phát mạch tách kênh Power (dBm) -2 LP01 BER LP11a Q factor 63 BER LP11b Q factor 63 BER Q factor 63 -3 63 63 63 -4 2.97e-229 30.18 6.42e-300 31.32 4.49e-295 31.29 -5 8e-149 28.28 1.62e-198 29.55 5.06e-195 29.47 -6 2.84e-96 26.35 1.71e-128 27.63 3.19e-126 27.5 -7 2.56e-62 24.42 4.37e-83 25.7 1.29e-81 25.62 -8 1.04e-40 22.98 7.1e-54 23.75 6.2e-53 23.67 -9 1.56e-26 20.5 4.08e-35 21.8 1.04e-30 21.96 -10 1.51e-17 18.53 4.85e-23 19.83 1.19e-22 19.75 -11 5.78e-12 16.62 2.57e-15 17.86 4.5e-15 17.78 46 PHIẾU THEO DÕI ĐỊNH KÌ Thông tin chung Lần đánh giá: Ngày: Tên sinh viên: Tên đề tài Những yêu cầu người hướng dẫn lần gặp trước: 3.Những việc thực từ lần gặp trước: Những công việc phải thực tiếp theo: Nhận xét người hướng dẫn: Chữ ký sinh viên Chữ ký người hướng dẫn PHIẾU THEO DÕI ĐỊNH KÌ Thơng tin chung Lần đánh giá: Ngày: Tên sinh viên: Tên đề tài Những yêu cầu người hướng dẫn lần gặp trước: 3.Những việc thực từ lần gặp trước: Những công việc phải thực tiếp theo: Nhận xét người hướng dẫn: Chữ ký sinh viên Chữ ký người hướng dẫn PHIẾU THEO DÕI ĐỊNH KÌ Thơng tin chung Lần đánh giá: Ngày: Tên sinh viên: Tên đề tài Những yêu cầu người hướng dẫn lần gặp trước: 3.Những việc thực từ lần gặp trước: Những công việc phải thực tiếp theo: Nhận xét người hướng dẫn: Chữ ký sinh viên Chữ ký người hướng dẫn